《傳感器公開課》課件

1、1熱釋電傳感器2一、紅外輻射所有高于絕對零度（273）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。輻射的紅外線波長跟物體溫度有關。表面溫度越高,輻射能量越強。31、紅外光的基本特點 （1）紅外光，其波長從0.751000m。紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍及在電磁波譜中的位置如圖所示。一、紅外輻射4（2）紅外光與電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。（3）紅外光在真空中的傳播速度為3108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中衰減很大。但能透過大部分半導體和一些塑料。大部分液體對紅外光吸收非常大，氣體對其吸收程度各不相同。 總的來說，紅外線的穿透能力不強。一、紅外輻射5 (1)希爾霍夫定

2、律：處于同一溫度下的各種物體的輻射本領正比于它的吸收本領，即 M=dM0 M0 ，表示輻射本領，物體在單位時間內(nèi)單位面積輻射的能量 d吸收系數(shù) M0同一溫度下黑體的輻射本領 (2)斯戒藩一玻耳茲曼定律： 物體溫度越高，其輻射的能量越多。M為某物體在絕對溫度T時單位面積和單位時間內(nèi)輻射的總能量，則: M=T4 其中斯戒藩一玻耳茲曼常數(shù)；為比輻射率，值1 2、基本定律6 (3)維思位移定律。物體熱輻射的能量包括各種波長的電磁波。物體的峰值輻射波長m與物體自身的絕對溫度T成反比，即 m 0.2987/T2.基本定律人體的正常體溫為3637.50C ，即309310.5K，其輻射的最強的紅外線的波長為

3、m=2989/（309310.5） =9.67 9.64um，中心波長為9.65um。 7二、熱釋電傳感器（PIR） 熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件，它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警、自動檢測等。81、熱釋電效應:某些電介質(zhì)表面溫度變化時,在這些電介質(zhì)的表面會產(chǎn)生電荷92、熱釋電元件:具有熱釋電效應的介質(zhì)制成的元件用紅外熱釋電材料（鋯鈦酸鉛）制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極。鋯鈦酸鉛壓電效應熱釋電效應當其表面溫度升高t時，其晶體內(nèi)部的原子排

4、列將發(fā)生變化，誘出自發(fā)極化電荷Q設元件的電容為C，則元件兩電極間的輸出電壓 U Q/C必須指出的是：熱釋電元件產(chǎn)生的表面電荷不是永存的，它很快會因元件表面漏電及空氣中的各種離子中和。故：熱釋電元件只能測量溫度的變化量及強度周期變化的紅外線10上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。 目前市場上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有：雖然它們的型號不一樣，但其結構、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。11123、熱釋電元件的結構、組成與作用：A。熱釋電結構

5、：13B。熱釋電元件的組成：敏感元件、場效應管、高阻電阻、濾波片等， 并向殼內(nèi)充入氮氣封裝起來。14151）兩片熱釋電元件反向串聯(lián)，為什么？原因:消除溫度誤差 C。熱釋電元件的作用：162）濾光片：濾光片設置在窗口處， 組成紅外線通過的窗口？人體正常體溫時，輻射的最強的紅外線的中心波長為9.65um,正好落在濾光窗的響應波長（714um）中心。防止可見光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）的干擾。傳感器只對移動或運動的人體、體溫近似人體的物體起作用。 原因？173）高阻放大器？原因:阻抗變換/放大信號 熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用,因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式,該電阻阻抗高達104

6、，故引入的溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。18原因：表面電荷會中和、泄露，故只能測量變化的溫度和 強度周期變化的紅外光（動態(tài)量）-遮光裝置 （非涅爾透鏡）。4）非涅爾透鏡：其作用：一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。不使用菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑不足2米，配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達到10米。194、菲涅爾鏡片的原理和應用 20360度球形菲涅耳透鏡 1.5元 焦距：10.5 毫米角度：100 探測距離

7、：8米尺寸：23 體積：24*24*15毫米 超小型菲涅耳球型透鏡 1.9元 感應角度：110度焦距：5 毫米角度：150度探測距離：3米 體積大?。喉敳恐睆?2.5毫米， 最大邊緣13.5毫米， 高10毫米21鏡片主要有三種顏色 一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。 二、白色主要用于適配外殼顏色。 三、黑色用于防強光干擾。鏡片還可以結合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。 一、外觀描述-外觀形狀（長、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。鏡片主要參數(shù)：三、焦距-指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點為單位。長形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對準探頭窗口。二、探測范圍-指鏡片能探

8、測的有效距離（米）和角度。2256*36毫米長方形廣角菲涅耳透鏡 1元 56*36毫米長方形幕簾菲涅耳透鏡 1元 焦距：25毫米探測距離：12米外形 ：56X36毫米 焦距：25毫米探測距離：12米外形：56X36毫米 23菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設計特點： 一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側疏。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強，正好對著上邊的透鏡；下邊較少。一是因為人體下部紅外輻射較少；二是為防止地面小動物紅外輻射干擾。原因？24 菲涅耳透鏡把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器(PIR)靈敏度大大增加。A。菲涅耳透鏡

9、的工作原理：25菲涅爾鏡片是根據(jù)法國光物理學家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應角度大，焦距遠；圓環(huán)線刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環(huán)光線越集中而且越強。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應段。垂直感應區(qū)越多垂直感應角度越大；鏡片越長感應段越多水平感應角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成

10、盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約，垂直和水平感應角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。 26下圖是常用鏡片外觀示意圖： 27下圖是常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應圖。 當人進入感應范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。285、熱釋電傳感器的安裝要求： 紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報率

11、與安裝的位置和方式有極大的關系.。正確的安裝應滿足下列條件： 1。紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。 2。紅外線熱釋電傳感器遠離空調(diào), 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 3。紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 4。紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。 29紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度人的運動方向關系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應最不敏感, 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感. 。 在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置

12、是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)30三、熱釋電紅外感應模塊的應用311、紅外熱釋電處理芯片BISS0001 BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路。 32工作原理BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)模混合專用集成電路。 33首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3

13、VDD，所以，當VDD=5V時，可有效抑制1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個條件比較器。當輸入電壓VcVR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期。 當A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結束，即所謂不可重復觸發(fā)工作方式。當Tx時間結束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti。在Ti時間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。34可重復觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發(fā)Vo為有效

14、狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。 在Tx時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。 35管腳說明引腳名稱I/O功能說明1AI可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸發(fā)2VOO控制信號輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1-

15、輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1-輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS-工作電源負端8VRFI參考電壓及復位輸入端。通常接VDD，當接“0”時可使定時器復位9VCI觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸發(fā)(VR0.2VDD)10IB-運算放大器偏置電流設置端11VDD-工作電源正端122OUTO第二級運算放大器的輸出端132IN-I第二級運算放大器的反相輸入端141IN+I第一級運算放大器的同相輸入端151IN-I第一級運算放大器的反相輸入端161OUTO第一級運算放大器的輸出端36R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而